Дослідження техніки обробки та відпалу кварцового скла

Це дослідження методів обробки та відпалу кварцового скла спрямоване на виробництво волоконної оптики та пов’язані проекти. Це прагне покращити стабільність кварцових продуктів при високих і нормальних температурах шляхом практики, забезпечуючи плавне застосування продуктів у різних сценаріях.

Кварцове скло класифікується за методами обробки, застосуванням і зовнішнім виглядом, наприклад, плавлене прозоре кварцове скло, плавлене кварцове скло, очищене газом прозоре кварцове скло, синтетичне кварцове скло, непрозоре кварцове скло, оптичне кварцове скло, кварцове скло для напівпровідників і кварц. скло для електричних джерел світла. Вони діляться на дві основні категорії: прозорі та непрозорі. За чистотою він поділяється на три категорії: високої чистоти, звичайний і легований.

Десклованість стійкого до високих температур кварцового скла є властивим дефектом. Кварцове скло має вищу внутрішню енергію, ніж кристалічний кварц, що робить його термодинамічно нестабільним метастабільним станом. Молекули SiO2 прискорюють вібрацію та утворюють кристали після тривалої перегрупування та орієнтації. Кристалізація в основному відбувається на поверхні, а потім внутрішні дефекти, оскільки ці ділянки схильні до забруднення, що призводить до локального накопичення іонів домішок. Зокрема, іони лугу (такі як K, Na, Li, Ca, Mg) знижують в'язкість при вході в мережу, прискорюючи розскловування.

У цьому документі розглядаються оброблені кварцові компоненти, що охоплюють лише прозоре синтетичне кварцове скло конденсатора.

При обробці кварцового скла зазвичай використовують воднево-кисневе полум'я з температурою обробки близько 1500-1600 °C.

Скло – поганий провідник тепла. Коли шматок кварцового скла (без тиску) нагрівається або охолоджується, зовнішній шар кварцового скла безпосередньо нагрівається або починає охолоджуватися спочатку, а внутрішнє скло нагрівається (теплопровідність передає зовнішнє тепло всередину) або охолоджується потім. . Це створює різницю температур між поверхнею та внутрішньою частиною кварцового скла. Під час нагрівання температура поверхні безпосередньо нагрітого кварцового скла висока, а внутрішня температура кварцового скла, що отримує тепло, низька, що призводить до розширення зовнішнього шару нагрітого кварцового скла. Внутрішня частина з нижчою температурою намагається зберегти свій початковий стан, перешкоджаючи розширенню зовнішнього шару. Таким чином, усередині кварцового скла відбувається розширення та запобігання розширенню, створюючи два типи напруги через взаємодію: напругу стиснення та напругу розтягування. Сила, яка намагається запобігти розширенню зовнішнього шару кварцового скла всередину та діє на зовнішній шар, називається напругою стиску, тоді як сила, яку чинить зовнішній шар кварцового скла, що розширюється всередину, називається напругою розтягування.

Оскільки міцність кварцового скла на стиск значно перевищує міцність на розрив, внутрішній і зовнішній шари кварцового скла можуть витримувати значні перепади температур під час нагрівання. При обробці лампою кварцове скло можна безпосередньо нагрівати в воднево-кисневому полум'ї без руйнування. І навпаки, коли кварцове скло, нагріте до 500 °C або вище, поміщають у охолоджуючу воду, воно легко тріскається.

Розподіл напруги, що виникає під час обробки лампою, приблизно такий:

1. Напруга при ротаційному плавленні Руки оператора обертають і плавлять скляну трубку в полум'ї факела. Оскільки скляна трубка нагрівається обертанням, а не розплавленою частиною, напруга проявляється у вигляді кругових ліній.
2. Стрес при бічному плавленні Для отворів, бічних з’єднань і поперечного внутрішнього зварювання серцевини кварцових трубок кварцова трубка не обертається, що призводить до іншого розподілу напруги, ніж зазначено вище. У цей час напруга розподіляється навколо розплавленої частини.
3. Напруга в кільцевих суглобах Кільцеві з'єднання відносяться до зварювання внутрішнього сердечника.
4. Напруга в герметичних кінцях куртки Кварцові інструментальні куртки мають різні форми, але всі герметичні. Наприклад, у стандартній прямій трубі конденсатора, коли обидва кінці закриті, напруга присутня не лише на зовнішній оболонці, а й на внутрішньому сердечнику, що призводить до значного напруження.

Величина напруги змінюється в залежності від різниці температур і товщини кварцового скла. Чим більше різниця температур і чим товще скло, тим більше напруга. Тому зняття стресу особливо важливо.

Термічну напругу у виробах з кварцового скла можна розділити на тимчасову напругу та постійну напругу.

Тимчасова напруга виникає, коли зміна температури скла нижче температури точки деформації, що призводить до нерівномірного загального нагріву через погану теплопровідність, створюючи певну термічну напругу. Ця термічна напруга виникає через різницю температур і відома як тимчасова напруга.

Слід зазначити, що оскільки зазвичай оброблені стрижні з кварцовим сердечником містять різні хімічні речовини, вони схильні до нерівномірного нагрівання. Тому після зрощування полум’я слід використовувати для рівномірного нагрівання корпусу стрижня, роблячи загальний температурний градієнт максимально плавним, значно зменшуючи тимчасове напруження стрижня з кварцовим сердечником.

Коли скло охолоджується вище температури деформації, термічне напруження, спричинене різницею температур, не зникає повністю після охолодження до кімнатної температури, залишаючи деяке напруження в склі. Величина постійної напруги залежить від швидкості охолодження вище температури деформації, в'язкості кварцового скла, коефіцієнта теплового розширення і товщини виробу.

Як згадувалося вище, постійна напруга, що виникає після обробки кварцового стрижня, впливає на подальшу обробку та виробництво. Тому постійне напруження можна усунути лише шляхом відпалу.

Як правило, скляні вироби відпалюють після обробки. Відпал відноситься до процесу термічної обробки між температурою переходу та температурою точки деформації для усунення теплового стресу, що виникає під час виробничого процесу. Як правило, чим більший коефіцієнт розширення скла, чим більший діаметр і складніший стан продукту, тим сильніше навантаження. Як згадувалося раніше, кварцовий стрижень, який контактує, має великий діаметр і містить змішані стрижні сердечника, тому для усунення напруги потрібна сувора термічна обробка.

У реальному виробництві неможливо повністю усунути напругу всередині тіла стрижня під час відпалу кварцового стрижня. Однак залишкова кількість настільки мала, що її важко виявити навіть під полярископом.

Теоретично найвища температура відпалу означає, що 95% напругу можна усунути через 3 хвилини; найнижча температура відпалу призводить до зняття напруги 5% через 3 хвилини. У виробничій практиці зазвичай використовується температура на 50°C нижча за найвищу температуру відпалу та на 100°C вища за найнижчу температуру відпалу. Існує багато способів відпалу, але основним методом є відпал у печі, про що йдеться в цій дискусії.

Відповідно до принципу відпалу, згаданого вище, відпал кварцового скла поділяється на чотири етапи: етап нагрівання, етап постійної температури, етап охолодження та етап природного охолодження.

1. Етап нагріву Для кварцового скла ця робота базується на вимогах до відпалу оптичних виробів. Весь процес нагрівання передбачає повільний нагрів до 1100°C. Відповідно до досвіду підвищення температури становить 4,5/R²°C/хв, де R — радіус виробу з кварцового скла.
2. Етап постійної температури Коли кварцовий стрижень досягає фактичної найвищої температури відпалу, корпус печі підтримується при постійній температурі, щоб забезпечити рівномірне нагрівання продукту, готуючи його до наступного етапу охолодження.
3. Етап охолодження Щоб усунути або створити дуже невелику постійну напругу під час процесу охолодження кварцового стрижня, температуру слід повільно знижувати, щоб запобігти великому градієнту температури. Швидкості охолодження наступні:
   • 1100°C до 950°C: 15°C/год
   • 950°C до 750°C: 30°C/год
   • 750°C до 450°C: 60°C/год
4. Етап природного охолодження При температурі нижче 450 °C живлення печі для відпалу вимикається, і середовище підтримується без зміни середовища ізоляції, доки воно природним чином не охолоне нижче 100 °C. При температурі нижче 100 °C ізоляційне середовище розкривається і охолоджується до кімнатної температури.

Час і температура, задіяні у вищевказаних етапах, базуються на теоретичних і виробничих результатах. На рисунку 1 показані невдалі експериментальні продукти через нерівномірне нагрівання, спричинене занадто коротким часом нагрівання або постійної температури.

У процесі виробництва та обробки кварцового скла напруга існує в продуктах на будь-якій стадії, будь то тимчасова чи постійна. Такі методи, як «полум’я», «HF кислота» та «піч для відпалу», можна використовувати для усунення тимчасової напруги або зменшення постійної напруги. Усунення напруги має вирішальне значення для підвищення механічної стабільності та оптичної однорідності кварцових виробів.

У GlobalQT (Global Quartz Tube) ми спеціалізуємося на високоякісних вироби з кварцового скла з індивідуальними рішеннями, що відповідають вашим конкретним потребам. Для отримання додаткової інформації відвідайте наш веб-сайт або зв'яжіться з нами електронною поштою за адресою contact@globalquartztube.com.